一体化管柱油管特殊螺纹气密封性能研究

气井压裂投产一体化管柱在各种工况中,载荷变化较大,使得管柱的密封性能受到很大影响。以3种常用特殊螺纹接头为研究对象,运用有限元方法对其密封性能进行了研究。结果表明:随着轴向拉伸载荷逐渐增大,球面-球面和锥面-球面密封结构接触应力下降较快,柱面-柱面密封结构接触应力基本不变;内压与轴向拉力复合作用时,随着内压的增大,球面-球面密封受内压影响最大,接触应力上升较快;外压作用降低了密封面接触应力,使接头密封性能降低;在密封面结构选择上,3种密封结构各有优势,应综合考虑接触应力和接触面积,选择不同工况下相对适合的特殊螺纹接头。研究结果可为气井压裂投产一体化管柱的现场应用提供参考。     

特殊螺纹接头密封性能与结构分析

油气井环境的日益苛刻对油套管的密封性能和连接强度提出了更高的要求。采用有限元方法分析了特殊螺纹接头的密封性能及结构特点,重点研究了现有结构在上扣转矩、轴向拉伸及内部内压作用下接头的应力分布和密封效果,获得了在各种工况下的失效载荷,并在此基础上,对此种特殊螺纹接头主密封结构、螺纹牙型进行设计、对比与分析。分析结果表明,在主密封结构的设计上需要综合考虑接触应力及接触面积等因素才能得到较好的密封效果;在螺纹牙型设计上,需要考虑螺纹加工对成本的影响,使用加工刀具及量具比较成熟的偏梯形螺纹是较好的选择。     

基于ANSYS的套管特殊螺纹接头密封结构设计

分析了API套管螺纹接头的泄漏机理以及特殊螺纹接头的密封机理,在API套管螺纹接头的结构基础上进行了一定改进,提出了一种新型的双台肩、三锥度套管特殊螺纹接头的密封结构形式,并利用ANSYS软件对设计的密封结构在上扣和拉伸两种工况下进行了分析研究,得出了不同工况下螺纹接头各扣牙的受力曲线。分析结果表明,该特殊螺纹接头结构合理,各扣牙受力分布较为均匀,可延长套管接头的使用寿命。关键词:螺纹接头;泄漏机理;密封机理;受力分析     

新型气密封特殊螺纹接头抗旋转弯曲疲劳试验研究

套管接头在水平井下入过程中承受大量旋转-弯曲疲劳循环载荷,这种循环载荷会导致套管接头螺纹根部产生高应力,导致疲劳损伤和潜在的结构失效,从而对后续油井作业中的管柱接头密封和结构能力产生影响,因此需开展套管特殊螺纹抗旋转弯曲疲劳试验研究。基于API 5C5:2017及API TR 5SF标准,通过对某型特殊螺纹套管进行共振弯曲疲劳试验,评价该特殊螺纹接头在疲劳振动载荷下的密封性。结果显示,试验中加载频率越接近试样固有频率,振动越激烈,弯曲应力幅值越大;1#试样在内压60 MPa、弯曲度＞20°/30 m的加载条件下,累计加载循环次数54 192次后,试样完好,螺纹接头及管体未出现渗漏及破坏;2#试样在内压0.5 MPa、弯曲度＞20°/30 m的加载条件下,累计加载循环次数107 535次后,试样完好,螺纹接头及管体未出现渗漏及破坏。研究表明,该规格特殊螺纹接头在疲劳振动载荷下仍具有良好的密封性。该试验为共振弯曲疲劳试验方法和相应试验设备在特殊螺纹套管疲劳振动试验领域的深入应用提供了参考。     

拉压交变载荷下螺纹接头密封面接触压力分析

为了筛选出适用于拉压交变载荷工况下的注采管柱气密封螺纹接头,基于弹塑性接触非线性理论,采用有限元分析方法,考察了轴向拉压交变载荷作用下,储气库注采管柱接头密封面接触压力的分布特点。以2种密封形式(球面/柱面、锥面/锥面)的套管接头密封结构为例,重点研究了不同循环周次交变载荷作用下,主密封面和台肩面上的接触压力随接触长度的变化规律。分析结果表明:随着从拉伸到压缩状态的不断转变,2种密封结构主密封面最大接触压力和有效接触长度均发生不同程度增加,而锥面/锥面密封结构具有较小的相对增加量。锥面/锥面密封形式的有效接触长度相对较长,台肩面辅助密封效果较好,但应合理控制其台肩顶端的应力集中问题。建议储气库注采管柱采用锥面/锥面密封结构的螺纹接头。所得结论可为储气库管柱螺纹的优化选择和设计提供参考。     

油套管特殊螺纹接头的技术现状及结构形式

随着油气井钻探环境的日益苛刻,API螺纹接头在连接强度和密封性能方面已不能满足某些油气井的使用要求,因此特殊螺纹接头的应用范围不断扩大。为此,介绍了油套管特殊螺纹接头主要生产厂家和其生产的几种典型的特殊螺纹接头以及特殊螺纹接头的结构形式,可为特殊螺纹接头的设计和制造提供参考。我国应尽快开发出结构完整和密封完整的特殊螺纹接头,以满足受拉伸、压缩、弯曲、内压和外压复合载荷以及高扭矩、高腐蚀和高温工况条件下的需要。     

油井管接头密封方法及机理综述

高温高压天然气井的管柱密封性至今无法完全保障。油井管最常用的四种密封方法是螺纹密封、台肩密封、弹性密封环密封和金属接触密封。大部分特殊螺纹接头采用金属接触密封,密封面接触压力决定了密封能力。正确的金属接触密封会显示出一种压力激发效应。将密封面设计在远离螺纹端部的位置,螺纹端部刚性增强了密封接触力。金属接触密封的泄漏概率为10^-2,泄漏速度取决于密封面的接触应力宽度、粗糙度、损伤程度、密封脂、涂层等。特殊螺纹接头在振动后,即使产生疲劳裂纹,也不发生泄漏。一些接头台肩刻槽后作密封性试验,结果发生泄漏。很多气井管柱扭矩台肩发生了腐蚀,证明金属接触密封存在泄漏通道,即扭矩台肩起密封作用。接触压应力设计法无法完全解决特殊螺纹接头的密封问题,发展全新的设计理论和制造技术,是保障特殊螺纹接头密封性的重要发展方向。     

高压对气井套管接头螺纹接触应力的影响研究

高温高压气井对螺纹密封性的要求要比油井更为严格。对于高压气井中的整个管柱,每一段处于不同的力学环境中,发生泄漏的可能性也不同,因此研究压力对气井套管接头螺纹接触应力的影响,对高压气井套管的合理使用尤为重要。利用弹塑性有限元分析方法,建立了API偏梯型螺纹套管接头的有限元模型,分析了气井压力对套管接头接触应力的影响,提供了研究压力对套管接头螺纹接触应力影响的方法。对于井口压力或井底压力超过34MPa的高压气井,应选用气密性良好的特殊螺纹接头,建议采用金属对金属的螺纹接头套管,以加强螺纹部位的连接强度和密封性能。     

海洋油气油管套管特殊螺纹接头评价技术研究

油管套管管柱在服役过程中,螺纹连接通常是管柱安全的薄弱环节,随着油气开采的环境条件、油井深度、井底压力和温度等油气井钻采范围的不断深入和扩大,对油管套管螺纹连接性能提出了更高要求。本文通过分析油管套管特殊螺纹接头的结构特点和密封机理、特殊螺纹接头评价内容、评价技术方法,比较不同评价技术方法的优缺点,以及评价技术研究与分析,针对海洋油气开发和钻采工艺特点,提出了油管套管特殊螺纹接头的技术特点组合优化创新设计,并通过理论计算、有限元模拟、优化设计验证、“API RP 5C5+特殊试验评价方法”全尺寸实物性能试验,初步制定了满足海洋油气特殊螺纹油管套管产品的产品结构,为海洋深水油气开采防泄漏保安全提供了保障,具有重要的推广应用价值。     

管柱螺纹连接计算中的圣维南效应分析

螺纹连接处是石油套管柱最薄弱的环节,套管螺纹的抗拉强度决定了套管的抗拉强度。采用非线性有限元法,在考虑圣维南边界效应的情况下,较为准确地描述了管柱接头的接触和应力状态。结果表明,位移边界和载荷位置的变化对管柱螺纹接头的Mises应力和接触压力极值有明显的影响;位移边界和轴向载荷施加位置在距离螺纹接触区1个管柱直径的长度时,可基本消除圣维南边界效应对应力敏感区的影响;对于不同的管柱类型和连接情况,应根据螺纹牙型、尺寸和载荷条件确定圣维南边界效应的影响范围,否则会有较大的计算误差。     

定向井套管入井摩阻分析

基于前人提出的“软钻柱”模型，采用空间分析方法详细分析了三维井眼中套管单元体的受力情况，推导了计算套管轴向载荷和扭矩的统一公式，这些公式也可以用于采用“软钻柱”模型的钻杆单元体的受力分析。结合濮2—平1井和文266—9井现场采集的数据，运用这些公式计算摩阻系数，并由摩阻系数预测大钩载荷，对所建立的模型进行了分析验证。     

HST特殊螺纹油套管力学与密封性能有限元分析

为研究HST特殊螺纹油套管接头在机紧工况和拉伸工况下的连接性能和密封性能,采用Abaqus有限元软件,改变管体与接箍密封面过盈量和管体受力,分析2种工况下接头扭矩台肩、密封面和螺纹牙应力及接触压力。通过分析得到机紧工况下管体密封面最大过盈量为0.09 mm,拉伸工况下接头连接性能和密封性能减弱。研究结果可为HST特殊螺纹油套管的实际应用提供理论指导。     

基于密封性能要求的超深井钻柱极限提升力的确定

为了评估大轴向载荷作用下的钻杆接头密封性能,保证钻杆接头的使用性能,采用三维有限元方法建立了双台肩钻杆接头高精度有限元模型,研究了钻杆接头的密封机理,并分析了其在上扣扭矩和轴向拉力作用下的力学特性。研究结果表明,双台肩钻杆接头的密封以主台肩、副台肩为主,只有当上扣扭矩使主、副台肩上产生一个合理的接触压力后,才能保证接头的密封性能;轴向拉力的作用将降低主、副台肩上的接触压力,从而影响接头的密封性能;当轴向拉力超过2 500 kN时,主、副台肩将失去密封性能,从而增加接头发生应力腐蚀的风险。该研究结果对超深井钻杆接头使用性能的提高和钻柱极限提升力的确定具有一定的参考价值。     

异锥度气密特殊螺纹油管接头密封特性研究

基于虚位移原理,建立了异锥度气密特殊螺纹接头(简称接头)的连接控制方程,并建立三维有限元模型,分析其在不同的机紧转矩和井下复杂工况条件下的力学响应特性。结果表明：在常见的工况下,接头的最大应力均小于材料的屈服应力;对于接头的密封结构,其主密封面的密封性能优于次密封面的密封性能;随着机紧转矩的增加,接头密封结构的平均接触压力与机紧转矩呈线性关系;轴向拉力和弯矩对接头密封结构的主、次密封面有不同程度的影响,但当机紧转矩值大于一定值后,其影响力将缓慢减弱并最终趋于稳定。分析结果对于接头的现场应用具有参考意义。     

可循环式井口加压下套管装置的研究

为解决吉林油田浅层大位移及浅层阶梯水平井下套管困难的问题,研制了可循环式井口加压下套管装置。该装置主要由转换接头、配重总成、旋转总成、可循环密封总成、吊环、吊卡等组成,用该装置下套管时有以下2个主要特点:(1)可以在下套管过程中随时循环钻井液;(2)可以向套管柱施加80kN的下压力。通过2种途径的共同作用,可确保浅层大位移及浅层阶梯水平井顺利完成下套管作业。目前该装置已完成设计加工及地面试验。     

液压加固补贴对破漏套管的仿真研究

针对胜利油田长距离套管损坏井连续破漏及管体刺漏等套管失效工况,以∅139.7 mm×7.72 mm的N80套管为例,借助于ABAQUS有限元软件建立了破漏套管经液压加固补贴后的有限元模型,并对套管组合体模型的承载极限进行了定量分析。研究结果表明:破漏套管表面裂缝的存在对套管组合体承受外挤工况的影响较大,而对组合体承受轴向拉力、轴向压力以及内压等工况的影响甚微;当破漏套管最小裂缝宽度小于2.5 mm时,经液压加固补贴后的组合体在轴向拉力、轴向压力、内压以及外挤等4种载荷工况下的承载极限均高于无损套管的承载极限,满足现场工况要求;而当最小裂缝宽度大于6.5 mm时,补贴后的套管组合体承受的极限外挤载荷小于63.4 MPa,抵抗极限外挤的能力有所降低;通过更改补贴管材质,可明显提高补贴组合体在内压及外挤工况下的极限承载能力。研究结果对现场施工作业具有一定的指导作用。     

水下井口生产热膨胀力分析与井口环空密封完整性评估

基于南海东部某海域的钻井资料,运用热力、结构力学理论,建立水下井口的热-结构力学轴对称有限元模型,运用ANSYS软件对海床以上井口的轴向热膨胀力进行计算。采用经典理论计算套管串由于热膨胀在井口产生的力,对环空密封总成的长期密封完整性进行评估。结果表明,在4 285 m井深和正常温度压力条件下,由于流体热循环在套管挂处产生向上的力为2 811 kN,而环空密封总成锁环工作能力为3 247 kN,因此,环空密封总成锁环可抵抗热膨胀产生的向上的力。为确保油井生命周期的井口安全,提出在套管挂顶部下入锁紧补芯,以限制套管挂和密封总成在生产过程中由于热膨胀而向上移动。上述评估方法及措施为水下井口在生产过程中的密封完整性评估提供参考。     

水平井压裂过程中固井界面裂缝的扩展规律北大核心

页岩气水平井压裂过程中,高压流体的注入可能会引起压裂液沿水泥环一、二界面的窜流,对页岩气井井筒完整性提出了严峻挑战。基于CZM模型建立了定注入压力下水泥环一、二界面裂缝扩展模型,分析了水泥环、地层力学参数对固井界面裂缝扩展的影响规律。研究结果表明:提高固井二界面的胶结强度能同时抑制一、二界面的裂缝扩展;水泥环弹性模量由4 GPa增加至9 GPa,一、二界面扩展长度分别降低10 m、19 m,当弹性模量超过6 GPa时,其对二界面的影响减弱,泊松比由0.2增加至0.3,一、二界面裂缝长度分别降低10 m、1 m,表明泊松比主要会对一界面的裂缝扩展有所影响;地层弹性量从25 GPa增加到35 GPa,一、二界面裂缝长度分别增加3 m、9 m,表明弹性模量较低的地层有助于控制界面裂缝扩展。研究结果对水平井压裂过程中水泥环密封完整性的评价以及水泥浆体系的优选具有一定的指导意义。     

套管柱在高压工艺条件下的受力及保护浅析

分析了套管柱在高压工艺条件下的受力状况，并给出了计算公式。实施压裂、酸化或注水而形成的高压差和高温差，会使井口处套管和水泥面处套管的受力发生突变。在采用环室或光油管压裂、酸化或注水时，套管处于直接承压状态，其中井口处套管受压力效应、温度效应和重力的综合影响；水泥面处套管则受到附加轴向载荷的作用。通过实际井例进行了计算和验证。在此基础上，提出了采用封隔器管柱保护套管的途径。此外，还对封隔器管柱作了受力分析。